点燃式天然气发动机动力性分析

摘要：天然气因具有能源来源丰富、燃料经济性好、排放少、发动机使用寿命长、维修费用少、怠速及过度工况运行稳定等优点，使天然气作为汽车的一种可替代能源得到了不断的应用。由于其成分、使用条件和目前技术水平等条件限制，使得在使用发动机上产生动力下降的问题，在一定程度上制约了天然气汽车的发展、推广与应用。本文对影响天然气发动机动力性下降的因素进行必要的分析，从混合气的热值、进气效率和充气量、分子变更系数等几个方面，对天然气发动机动力下降的可能因素进行了系统的分析。

关键词：天然气 混合气的热值 进气效率 分子变更系数

天然气（Natural Gas,简称NG）是地表下岩石储集层中自然存在的以轻质碳氢化合物为主体的气体混合物的统称，其主要成分是甲烷（CH4）约占85%～95%。天然气按其来源有气田气、油田伴生气和煤成气之分。人们对天然气作为发动机燃料研究与应用已经有一百多年的历史。天然气具有能源来源丰富、燃料经济性好、排放少、发动机使用寿命长、维修费用少、怠速及过度工况运行稳定等优点，作为一种汽车燃料近年来得到了一定的发展。作为汽车燃料就其使用性能而言，与汽油、柴油相比较也有不足之处，如天然气作为汽车燃料在携带时有一定的困难，用现有的汽车以天然气为燃料时会造成发动机功率的下降。在目前的技术水平下，发动机的功率下降高达20%（如大功率较燃用汽油的下降幅度为15%～24% ，最大扭矩的下降幅度为10%～15%），在一定程度上制约了天然气汽车的发展、推广与应用。

天然气汽车按照燃料组成具有不同的形式，但是无论是纯（或专用）天然气汽车还是天然气—汽油两用燃料汽车都是采用点燃式，是天然气汽车的主体部分，因此，更好更为深入地研究点燃式天然气汽车发动机动力性，对提高其动力性、降低排放以及天然气汽车的普及具有重要的意义。

在汽车底盘不变的情况下，发动机的动力性可以通过发动机的平均有效压力来表示。平均有效压力是指单位气缸工作容积发出的有效功。显然，平均有效压力越大，发动机的作功能力越强。点燃式天然气发动机动力性也可以使用公式(1)进行分析，通过分析其影响参数就可以准确分析影响天然气发动机动力性原因的最主要因素。

(1)

式中：hu—燃料的低热值；α—过量空气系数；L0—燃料完全燃烧所需要的理论空气量；ηm—发动机的机械效率；ηv—发动机的充气效率；ηi—发动机的指示热效率；VT—实际进气量在进气状态下的体积；Vh—发动机气缸工作容积；mk—发动机每循环的实际进气量；ρo—大气的密度。

可见，发动机的动力性取决于发动机的热效率、机械效率、充气效率及燃料的热值等因素。下面就影响天然气发动机动力性的主要因素作具体分析，进而为天然气发动机动力性提升明确思路。

1、热效率对天然气发动机动力性的影响

天然气的辛烷值比汽油高，燃用天然气发动机的许用压缩比可以达到10～12，相应循环热效率可以提高7%～12%。若采用天然气—汽油两种燃料，发动机压缩比保证燃用汽油时发动机正常工作，则在燃用天然气时发动机不能利用天然气许用压缩比高的特点，会使发动机丧失一定的功率。实验表明，对于压缩比不变的天然气—汽油双燃料发动机在燃用天然气比燃用汽油时，其热效率提高少于4%，而对于压缩比增高专用方式，热效率则比汽油机提高约9%。同时，天然气与空气的混合形成的可燃混合气质量比汽油要好，有利于混合气的充分燃烧，因此，燃用天然气发动机循环热效率比燃用汽油有所提高，使其动力性得到一定的提升。

2、天然气混合气热值低对动力性的影响

发动机工作时，燃料在气缸内燃烧所产生热量多少主要取决于混合气的热值，尤其是单位体积混合气的热值Hm。理论上，在其他条件相同的条件下，混合气的容积热值越大，则动力性越高。单位质量混合气Hm的热值公式：

(2)

燃料的热值hu是决定动力性能“量”的环节中的主要因素之一。根据式(2)可知，燃料热值愈高，内燃机发出的功率就愈大，即动力性愈好。两种燃料的各参数，如表1所示。

表1 两种燃料的各参数

由表1和式(2)可知，汽油理论混合气的热值Hm=84006(kJ/kmol)，天然气理论混合气的热值Hm=75399.8(kJ/kmol)。天然气理论混气热值为汽油理论混合气热值的89.9%。

实际中，发动机无论是采用那种燃料下工作，都不能保证在理论混合气状态工作。如在大负荷时，由于天然气供气系统不完善，还不能完全满足大负荷加浓的要求，进而使发动机动力性会进一步下降。

3、空气量和充气效率对动力性的影响

进入发动机的进气量是保证发动机各项性能的基础，研究实验表明，发动机进气量的减少是造成天然气发动机动力性能下降的主要原因之一。发动机的实际进气量mk、充气效率ηv与发动机的动力性能指标平均有效压力pe的关系如公式(1)所示。

通常在采用以汽油和柴油为燃料时，由于其密度大，所占空间小，可将燃料在供给时所占空间的影响忽略不计，对于计算充气量影响不大。然而在采用天然气的燃料时，燃料供给会对进气流动特性（充气效率）和进气量产生必要的影响，因此要计算。表2为燃用汽油与燃用天然气时进气量的比较。从该表所测参数可以看出，天然气进入量与该工况下空气进入量之和基本与原机进气量相等，说明天然气的进入使进气量减少是因为天然气占据了原空气的空间；在该试验条件下，外特性上天然气的进入量以体积计为8.4%～9.6%。故需要采取措施使充气量增加，特别是在大负荷时，应该采取减气加油的措施从而相对增加充气量，提高天然气发动机动力特性。

表2 进气量的比较

充气效率是评价内燃机换气过程完善程度的重要参数，提高发动机充气效率可以有效提高发动机功率和降低尾气排放。汽油在进气过程中，受到高温机件和高温气体加热要发生汽化，与此同时吸收汽化潜热，使进气温度下降。而气体燃料天然气则在相同工况下进气温度可能较高，从而使充气效率降低。正是由于燃用天然气时充气量和充气效率的下降而导致发动机动力性的下降。通常，充气量使发动机动力下降约10%，充气效率可使发动机动力较原机下降约1%～6%。但若设计良好，充气效率可与原机相当，避免了因充气效率下降引起的发动机动力性损失。

4、分子变更系数对动力性的影响

分子变更系数μ0为1kg燃料所形成的混合气燃烧后的莫尔数与燃烧前的莫尔数之比。若μ0=1，说明燃烧后的分子数与燃烧前的分子数量相等；μ0<1，则燃烧后的分子数减少；若μ0>1，说明燃烧后的分子数增加燃烧后的分子数增加是有利于热功转换的进行，则工质对活塞做功多。理论分子变更系数μ0计算式为：

(3)

按理论计算，当汽油的混合气成份α=0.8～1.2，理论分子变更系数μ0=1.07～1.12，天然气(甲烷)gH=1/4，go=0，mT=16。从式(3)中又可知其理论分子变更系数μ0=1，从燃烧后分子数增加方面分析热功转换，天然气不及汽油有利。由此带来燃用天然气循环功率损失约为5.74%，引起发动机动力性的下降。对于专用天然气发动机，通过优化设计，如提高压缩比、改进燃烧室、改进进排气系统、采用电控可变气门定时系统等，其发动机动力性可以达到原汽油机水平。

5、其他因素对发动机动力性的影响

影响天然气发动机动力性除以上不可避免的因素外，还有一些其他因素。如汽油改为双燃料时点火提前角的调整等。天然气—汽油双燃料发动机要两种燃料工况兼顾，取其折中最优的方案和选取数据等，这些都会对发动机动力性产生一定影响。

综上所述，点燃式发动机无论是单用天然气发动机还是采用天然气—汽油双燃料发动机，在采用天然气燃料工作时，虽然热效率增加，但其单位混合气热值、充气效率和充气量减少幅度较大，加上分子变更系数相对有所减少，其各项数据虽然不可以简单叠加，但毫无疑问会使发动机动力性有一定程度的下降。通过以上的将两种不同燃料的发动机其主要参数的分析比较，明确了天然气发动机动力性下降的主要原因，为此，使提高天然气汽车的动力性有了较针对性地研究与探讨方向。

6、结语

(1)天然气的热值高，但混合气的热值低，混合气热值不够，发动机的功率有明显的下降。

(2)天然气发动机空气量和充气效率与汽油机相比有所下降，其中由于充气量下降引起发动机动力性下降最为明显，而充气效率可以通过改进设计达到或接近原汽油时的充气效率。

(3)分子变更系数对天然气发动机的动力性影响较小，并且可通过优化设计，如提高压缩比、采用电控可变气门定时系统等，其发动机动力性可以达到原汽油机水平。

(4)天然气—汽油两用燃料发动机与专用天然气发动机相比动力性下降较大，很难使发动机设计与工况达到最优，而丧失一部分发动机的动力性。

参考文献

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